3 次元有限要素法による 1 室中空断面柱に対する純ねじり交番載荷実験の再現性
九州大学大学院 学生会員 ○服部 匡洋 九州大学大学院 フェロー 大塚 久哲 九州大学大学院 正会員 崔 準祜
１．目的
これまで，中実1)及び
1
室中空断面を有する柱部材 を対象に，壁厚と帯鉄筋間隔を変化させた純ねじり実 験を実施し，ねじり耐震性能について明らかにしてき た．本検討では，中空断面に対するねじり骨格曲線の 提案を目的とし，実験供試体を模擬した解析モデルを 作成し，3 次元有限要素解析の再現性を把握した．さ らに，解析により得られたひび割れ分布及びイベント 到達状況から，本断面柱の破壊メカニズムについて詳 細に考察した．２．解析モデル概要及び検討ケース
解析モデル概要を図-1，検討ケースを表-1，イベ ント耐力の比較を表-2に示す．表-1に示すように，
本検討では壁厚と帯鉄筋間隔をパラメータとし，壁 厚
60mm
と100mm，帯鉄筋間隔 30mm
と60mm
の計4
体に対して再現解析を実施した．汎用解析ソ フトFINAL
を使用し，図-1 に示すように，コンク リートはソリッド要素，主鉄筋及び帯鉄筋はトラス 要素，頭部フーチング上端の載荷板とジャッキを剛梁要素でモデル化した．材料特性は表-1の材料試験結 果を使用した．コンクリートの構成則は，かぶりコン クリートにはかぶりコンクリートモデルを，コアコン クリートには修正
Ahmad
モデル 2)を使用した．解析 における軸力については，軸応力比がどの検討ケース においても設計基準強度の10
％となるように調整し，ジャッキ天端に軸力を与えた．また，ジャッキ天端に 強制的に回転変位を与えることで，ねじりモーメント を載荷した．
図-1 解析モデル概要
（a）モデル全体図
（b）鉄筋配置
（片面）
（c）壁厚 60mm 断面
（d）壁厚 100mm 断面 ジャッキ
載荷板
頭部 フーチング
基部 フーチング
主鉄筋
帯鉄筋
（a）壁厚 60mm，帯鉄筋間隔 30mm （b）壁厚 60mm，帯鉄筋間隔 60mm
（c）壁厚 100mm，帯鉄筋間隔 30mm （d）壁厚 100mm，帯鉄筋間隔 60mm 図-2 履歴曲線の実験結果と解析結果の比較
キーワード ねじり交番載荷，RC中空断面，有限要素法，壁厚，帯鉄筋間隔，破壊メカニズム 連絡先 〒819-0389 福岡県福岡市西区元岡
744 W2-1101 TEL 092-802-3374
No.1 No.2 No.3 No.4 実験 33.7 34.2 39.3 47.9 解析 53.4 54.0 61.6 69.4 実験 59.8 53.9 72.1 79.0 解析 63.0 60.6 76.7 84.8 実験 106.6 80.7 107.0 90.7 解析 108.0 88.3 105.5 93.6 部材降伏
(kNm) 最大 (kNm)
イベント耐力 ひび割れ
(kNm)
No.1 No.2 No.3 No.4
10 10 10 10
60 60 100 100
30 60 30 60
60.3 61.6 57.4 68.7 27800 27100 25100 28800
3.5 3.6 3.4 3.9 2.48 2.48 1.69 1.69 1.88 0.94 1.28 0.64 軸応力比
（％）
パラメータ
壁厚（mm）
帯鉄筋間隔
（mm）
圧縮強度
（N/mm2） ヤング率
（N/mm2） 引張強度
（N/mm2） 主鉄筋比(％) 帯鉄筋体積比
(％)
表-2 イベント耐力の比較 表-1 検討ケース
‐120
‐60 0 60 120
‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1
ねじりモーメント（kNm）
ねじり角（rad）
実験 解析
‐120
‐60 0 60 120
‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1
ねじりモーメント（kNm）
ねじり角（rad）
実験 解析
‐120
‐60 0 60 120
‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1
ねじりモーメント（kNm）
ねじり角（rad）
実験 解析
‐120
‐60 0 60 120
‐0.1 ‐0.05 0 0.05 0.1
ねじりモーメント（kNm）
ねじり角（rad） 実験 解析
土木学会第68回年次学術講演会(平成25年9月)
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３．有限要素解析の再現性
表-2及び図-2に示すねじり履歴曲線より，実験値と 解析値を比較する．ここで，図-2 の解析結果は計算が 安定して行われた時点のものである．ひび割れ耐力の 解析値は実験値に比べ非常に大きい．これは，解析に おいて，頭部，基部フーチングによるそり拘束の影響 が小さく評価されたためと考えられる．また，部材降 伏耐力は壁厚の影響が，最大耐力については帯鉄筋間 隔の影響が大きいことが実験結果より考察されるが，
解析でも同様の傾向を示しており，部材降伏及び最大 耐力に対する再現性は良好であるといえる．ここで，
部材降伏点とはねじり剛性が急激に低下する点を指す．
図-2より初期剛性や部材降伏後の剛性も比較的精度よ く再現したが，最大耐力後の靭性を再現するには至ら なかった．これは，実験においては最大耐力付近で写 真-1に示す付着割裂ひび割れと思われる主鉄筋軸方向 のひび割れが確認されたが，解析ではコンクリートと 鉄筋の付着を完全固定としているためと考えられる．
したがって，解析において靭性を精度良く表現するに は付着すべりの詳細なモデル化が必要であると考えら れる．さらに，図-3に示す部材降伏時のひび割れ状況 を比較すると，ひび割れの断面辺中央での発生及びひ び割れ角度は実験を良好に再現した．
４．FEM 解析による破壊メカニズムに関する考察 中実断面に対する純ねじり実験及び解析 1)より，部 材降伏はひび割れが中央まで到達した時点で発生する ことが確認された．本稿では，壁厚
60mm
，帯鉄筋間隔
30mm
のNo.1
に着目すると，図-4より中空断面の 場合でも，部材降伏が発生した際にひび割れが中空内 面まで到達していることがわかる．また，最大耐力に着目すると，実験においては，主 鉄筋，帯鉄筋ともに降伏が確認されず，図-5(a)に示す ように最大耐力後に急激に耐力が低下したため，コン クリートの圧壊が先行した破壊を呈したと推測した．
一方，図-5（b）に示す解析におけるイベント到達状況 より，
No.1
ではコンクリートの圧壊と帯鉄筋降伏がと もに確認されたが，コンクリートの圧壊が先行して発 生し，最大耐力に到達していた．これは，実験に対す る考察とも一致する．以上より，壁厚が薄いと主鉄筋比や帯鉄筋体積比が 大きくとも，コンクリートの圧壊に伴う脆性的な破壊 を示す場合があり，靭性の観点から十分な壁厚を確保 することが望ましいといえる．
５．結論
3
次元有限要素法による1
室中空断面柱に対する純 ねじり交番載荷解析を実施した．有限要素解析により，最大耐力までのねじり履歴曲線及びイベント到達を良 好に再現できることを確認した．
参考文献
1) 大塚・秦・宇山：純ねじり荷重を受けるRC部材の三次元 非 線 形 有 限 要 素 解 析 ， 構 造 工 学 論 文 集 A，Vol.55A， pp1048-1057，2009．
2) 長沼：三軸圧縮下のコンクリートの応力～ひずみ関係，日 本建築学会構造系論文集，No.474，pp.163-170，1995．
（a）実験
（b）解析
図-3 部材降伏時のひび割れ状況の比較（No.1）
写真-1 最大耐力付近の主鉄筋軸方向ひび割れ（No.1）
（a）実験 （b）解析 図-5 イベント到達状況及び履歴曲線の比較（No.1）
（a）ひび割れ （b）部材降伏 図-4 解析におけるひび割れ進展状況（No.1）
0 30 60 90 120
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
ねじりモーメント（kNm）
ねじり角（rad）
0 30 60 90 120
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
ねじりモーメント（kNm）
ねじり角（rad）
ひび割れ 部材降伏 帯鉄筋降伏 圧壊 最大
土木学会第68回年次学術講演会(平成25年9月)
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